基于激光雷達(dá)手段的海南地區(qū)重力波與其波譜的季節(jié)分布特性研究

鄒旭， 楊國(guó)韜， 王繼紅， 龔少華， 程學(xué)武，岳川， 張鐵民， 傅軍

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心, 北京 100011 2 海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院, 海南?？?571158 3 中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所, 武漢 430071

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基于激光雷達(dá)手段的海南地區(qū)重力波與其波譜的季節(jié)分布特性研究

鄒旭1, 2， 楊國(guó)韜1*， 王繼紅1， 龔少華2， 程學(xué)武3，岳川1， 張鐵民2， 傅軍2

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心, 北京 100011 2 海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院, 海南海口 571158 3 中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所, 武漢 430071

利用子午工程海南激光雷達(dá)對(duì)我國(guó)海南地區(qū)上空進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，通過3年的累積觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)低緯度地區(qū)重力波活動(dòng)的季節(jié)分布特性進(jìn)行研究，依據(jù)重力波線性理論對(duì)海南地區(qū)上空的大氣密度擾動(dòng)規(guī)律、空間功率譜及時(shí)間頻率譜進(jìn)行分析，并通過選擇波長(zhǎng)在1 km至8 km范圍內(nèi)具有特定波長(zhǎng)以及具有波動(dòng)周期為60 min至25 min的特定頻率的重力波輔助研究大氣密度擾動(dòng)的季節(jié)變化規(guī)律，總結(jié)得出海南地區(qū)重力波活動(dòng)具有夏季大、春秋季小、而冬季依然頻繁的季節(jié)性分布規(guī)律.結(jié)合海南地區(qū)特殊的地理位置與當(dāng)?shù)丶竟?jié)性氣候特征分析得出海南地區(qū)上空重力波活動(dòng)季節(jié)性變化的可能原因?yàn)榍嗖馗咴匦渭拔覈?guó)南海地區(qū)存在的熱帶強(qiáng)對(duì)流與赤道潛流共同作用的結(jié)果.

海南； 激光雷達(dá)； 重力波； 季節(jié)分布； 青藏高原地形及對(duì)流； 赤道潛流

1 引言

重力波作為中高層大氣中最重要的動(dòng)力學(xué)過程之一，近些年來在中高層大氣領(lǐng)域研究中得到廣泛的關(guān)注(Senft and Gardner, 1991; Gardner and Voelz, 1987; Gardner, 1994, 1996; Yang et al.,2006; Gong et al., 2013).重力波對(duì)中高層大氣的循環(huán)、結(jié)構(gòu)、組成都具有重大影響.由于重力波的飽和、衰減、消散等過程，它們可將能量和動(dòng)量從低層大氣傳輸?shù)街虚g層上部及低熱層中，有助于我們研究大氣的大尺度的循環(huán)動(dòng)力學(xué)行為.同時(shí)，重力波觀測(cè)可以提供在不同地區(qū)、不同季節(jié)的重力波活動(dòng)的變化情況及其參數(shù)的分布情況.對(duì)于我們深入研究全球大氣能量收支以及能量和動(dòng)量的平衡過程有著相當(dāng)重要的意義.

激光雷達(dá)是研究重力波的有效手段，它是通過地面發(fā)射激光對(duì)大氣進(jìn)行研究的一種主動(dòng)式探測(cè)方法，近些年來在重力波研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.如：Gardner等基于CEDAR觀測(cè)手段研究了北美地區(qū)重力波活動(dòng)情況，并提取出重力波活動(dòng)數(shù)據(jù)，總結(jié)了Urbana地區(qū)的重力波活動(dòng)行為(Senft and Gardner,1991; Gardner and Voelz, 1987; Gardner, 1994, 1996)；Yang等基于巴西激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)道了南半球重力波的季節(jié)變化存在與北半球完全不同的活動(dòng)行為(Yang et al., 2006)；Gong 等基于子午工程數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)北京地區(qū)的重力波活動(dòng)的頻度及強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究并分析其成因(Gong et al., 2013)，等等.而目前國(guó)際上普遍認(rèn)為重力波的產(chǎn)生和傳播與觀測(cè)地所處的地理位置有著極其密切的關(guān)系.低緯地區(qū)相比于高緯地區(qū)具有更加豐富的大氣動(dòng)力學(xué)特性，往往能夠觀測(cè)到更加具有特異性的重力波事件發(fā)生.從以往的研究來看：青藏高原隆起的影響、電離層突發(fā)東亞異常以及鈉層突發(fā)在中國(guó)高頻度的出現(xiàn)等行為都揭示出中國(guó)地區(qū)上空中高層大氣具有明顯的區(qū)域性特色 (Wan et al.,1998; Xu et al.2008)，而海南島是我國(guó)唯一的低緯度地區(qū)，位于中國(guó)大陸最南端，同時(shí)也是進(jìn)行全球大氣動(dòng)力學(xué)行為研究的重要觀測(cè)地點(diǎn).因此，在海南地區(qū)開展低緯度地區(qū)的大氣波動(dòng)研究具有相當(dāng)重要的意義，這有助于我們了解我國(guó)低緯地區(qū)的重力波波源、重力波參數(shù)分布及其相互關(guān)系，重力波傳播過程受背景大氣風(fēng)場(chǎng)、溫度的影響，并有助于我們繼續(xù)深入研究低緯地區(qū)中層頂區(qū)的大氣動(dòng)力學(xué)過程.

本文利用子午工程鈉熒光激光雷達(dá)于2010—2013年在中國(guó)海南觀測(cè)臺(tái)站獲取的鈉層觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)海南地區(qū)重力波活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究.通過分析海南地區(qū)上空的大氣密度擾動(dòng)、空間功率譜、時(shí)間頻率譜，以及特定波長(zhǎng)及頻率的重力波活動(dòng)行為，研究得出海南地區(qū)大氣密度擾動(dòng)的季節(jié)變化規(guī)律，并結(jié)合我國(guó)地形因素以及我國(guó)南海地區(qū)的洋流特性分析總結(jié)了海南上空重力波活動(dòng)季節(jié)性變化的原因.

2 數(shù)據(jù)及討論

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文的觀測(cè)數(shù)據(jù)是基于子午工程海南鈉熒光激光雷達(dá)得到的.目前海南臺(tái)站工作的激光雷達(dá)為雙波長(zhǎng)激光雷達(dá)，波長(zhǎng)分別為532 nm和589 nm. 其中鈉熒光激光雷達(dá)采用染料激光器進(jìn)行激發(fā)，產(chǎn)生589 nm的激光探測(cè)光束(其能量為30 mJ), 重復(fù)頻率為30 Hz.接收望遠(yuǎn)鏡的參數(shù)如下：主鏡直徑為1000 mm，視場(chǎng)角為0.2～2 mrad，發(fā)射出的激光光束距離接收望遠(yuǎn)鏡中心6 m.接收信號(hào)通過帶通光學(xué)濾光片(帶寬為1 nm)、致冷光電倍增管、前置放大器和時(shí)間分辨的光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行信號(hào)探測(cè)及放大，最終由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理.與子午工程北京雙波長(zhǎng)激光雷達(dá)相同，海南激光雷達(dá)鈉密度文件為5000個(gè)激光脈沖累積，高度分辨率為96 m，時(shí)間分辨率約為167 s(張鐵民等, 2013).

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文采用了Yang等(Yang et al., 2006,2008a,2008b)改進(jìn)的鈉熒光激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取重力波參數(shù)方法，利用自編程序?qū)χ亓Σ▍?shù)進(jìn)行提取，具體過程如下：

首先，通過對(duì)原始鈉回波光子數(shù)進(jìn)行反演，得到鈉密度數(shù)據(jù)文件.其次，將每天的鈉密度數(shù)據(jù)ρ(z,t)進(jìn)行平均后，得到了鈉密度的平均數(shù)值ρ0(z).我們通過定義鈉層密度擾動(dòng)：

(1)

并利用公式(1) 求解得到所有的鈉層密度擾動(dòng)數(shù)值.根據(jù)公式(2)和(3)，即鈉層擾動(dòng)與大氣密度擾動(dòng)的聯(lián)系公式，可以將單個(gè)大氣密度擾動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算出來.

(2)

(3)

大氣密度的均方根值是對(duì)大氣密度擾動(dòng)進(jìn)行全天時(shí)及全空間的平均化處理后最終得到的(如公式(4))，其中T為全天觀測(cè)時(shí)，L′為舍棄位于94±2km處非高斯分布鈉層厚度后的鈉層總厚度：

(4)

我們通過子午工程海南激光雷達(dá)累積的2010—2013年共160天的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)上述過程反演并平均，最終求得海南地區(qū)大氣密度擾動(dòng)季節(jié)分布值.將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后進(jìn)行最小均方誤差擬合(MMSE擬合)后作出海南地區(qū)年度季節(jié)變化規(guī)律的圖譜.

海南地區(qū)大氣密度擾動(dòng)年度均方根分布規(guī)律如圖1所示.圓點(diǎn)代表大氣密度繞動(dòng)的均方根值，所有單天統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)MMSE擬合后用來表征大氣密度擾動(dòng)的季節(jié)分布規(guī)律(如圖1中的黑色曲線所示).MMSE擬合參數(shù)如表1所示.擬合數(shù)據(jù)表明：年度大氣密度擾動(dòng)的平均值為 5.63%，而夏季的大氣密度擾動(dòng)顯著高于其他季節(jié).總體呈現(xiàn)夏季大、春秋季小的分布態(tài)勢(shì).全年擾動(dòng)貢獻(xiàn)值分別為0.48%,及0.57%，大氣密度擾動(dòng)的最低值出現(xiàn)在春分及秋分日前后.

Senft和Gardner(1991)曾經(jīng)對(duì)美國(guó)Urbana地區(qū)(88°W，40°N)的大氣密度擾動(dòng)季節(jié)規(guī)律進(jìn)行了報(bào)道.發(fā)現(xiàn)中緯度地區(qū)的重力波觀測(cè)數(shù)據(jù)是在夏季擾動(dòng)幅度最大，而春秋分時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)極小值的情況.同時(shí)，Gong等在對(duì)同緯度的北京地區(qū)重力波事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，認(rèn)為北京地區(qū)上空重力波活動(dòng)季節(jié)性變化與美國(guó)Urbana地區(qū)的相似，也是夏季重力波活動(dòng)強(qiáng)度及頻率較大，而冬季重力波的活動(dòng)頻率及強(qiáng)度較弱(Gongetal., 2013).而相比于此，海南地區(qū)的重力波活動(dòng)情況整體也呈現(xiàn)夏季較大、春秋季節(jié)較小的特征，這與以往關(guān)于中緯度地區(qū)的重力波活動(dòng)的規(guī)律報(bào)道有一定相似性.但是，從活動(dòng)規(guī)律來看，海南地區(qū)冬季重力波的活動(dòng)依然活躍，半年貢獻(xiàn)值A(chǔ)2略大于全年貢獻(xiàn)值A(chǔ)1，這一結(jié)果表明海南地區(qū)的重力波活動(dòng)特性與中緯度地區(qū)有明顯區(qū)別.

圖1 海南地區(qū)大氣密度擾動(dòng)年度方均根分布Fig.1 Seasonal variations of the RMS atmospheric density perturbations

重力波的垂直波數(shù)譜和時(shí)間頻率譜是研究重力波場(chǎng)能量在各個(gè)垂直波數(shù)或頻率上的相對(duì)分布概率的重要方法.根據(jù)重力波線性理論，重力波垂直波數(shù)譜以公式(5)作為定義：

(5)其中〈ra(z,t)ra(z-s),t〉為大氣密度擾動(dòng)的自相關(guān)函數(shù)，通常用Ba(s,0)表示(s為相鄰高度的差值).同時(shí)在進(jìn)行垂直波數(shù)譜的數(shù)據(jù)處理上，我們采取如公式(6)的方法，先對(duì)大氣密度擾動(dòng)做預(yù)白噪聲化處理：

(6)

其中y(z,t)為對(duì)ra(z,t)的預(yù)白噪聲化處理函數(shù)，隨之對(duì)其進(jìn)行加hamming窗修正處理(Tsuda et al., 1989)，最后經(jīng)傅里葉變換可得到海南地區(qū)每一單天事件的波數(shù)譜Fa(m).

通過對(duì)垂直波數(shù)譜的單天事件進(jìn)行作圖發(fā)現(xiàn)，海南地區(qū)的重力波垂直波數(shù)譜整體趨勢(shì)呈直線型分布(幾個(gè)典型的單天事件如圖2(a—d)所示)，這與理論公式符合的很好(SenftandGardner, 1991).同時(shí)，我們對(duì)重力波垂直功率譜的譜斜率p進(jìn)行了年均統(tǒng)計(jì)分布.經(jīng)過對(duì)所有單天事件的波數(shù)譜曲線進(jìn)行平均化處理后得到年平均的譜斜率為p=-2.93(如圖2e).這與Dewan(1994)提出的線性不穩(wěn)定理論和Hines(1991)提出的多普勒擴(kuò)散理論預(yù)測(cè)的結(jié)論p=-3符合的非常好.垂直波數(shù)譜斜率的季節(jié)性統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律如圖3f所示.其中最緩的斜率是-2.14，最陡的斜率是-3.56. Senft和Gardner報(bào)道的斜率值在-2.20和-3.55之間，其變化范圍與我們計(jì)算的波數(shù)譜變化范圍相符.其他地區(qū)如Collins等(1994)報(bào)告的南極地區(qū)功率譜斜率范圍是-2.0到-3.5,也相對(duì)接近我們的結(jié)果.同時(shí)Senft等利用一個(gè)月的數(shù)據(jù)報(bào)道過最緩斜率為-2.1的波事件(Senft et al., 1993)，與我們的結(jié)果也比較接近.

表1 重力波擬合參數(shù)年度及半年度貢獻(xiàn)值列表Table 1 Annual and semiannual components of gravity wave parameters

注：重力波參數(shù)方程y=A0+A1cos[2π/365(d-d1)]+A2cos[4π/365(d-d2)].u0,u1,u2,ud1,ud2分別代表A0,A1,A2,d1,d2的誤差.

根據(jù)重力波理論，通常選取波長(zhǎng)小于10 km的重力波的季節(jié)分布規(guī)律來表征重力波活動(dòng)規(guī)律.我們選取了波長(zhǎng)為8、4、2、1 km的重力波來進(jìn)行研究(如圖3所示)，并分別用m8=2π/8km，m4=2π/4km，m2=2π/2km,m1=2π/1km來代表其對(duì)應(yīng)的波數(shù)值.根據(jù)圖3和表1給出的參數(shù)信息，我們可以看到m8的年度平均值是1.69(m/cycles),這一數(shù)值遠(yuǎn)小于Senft和Gardner(1991)報(bào)告的12.5(m/cycles).波長(zhǎng)為4、2 km和1 km的小尺度波的擾動(dòng)，其波數(shù)m4，m2和m1的全年平均值分別是0.22(m/cycles)、0.087(m/cycles)，和0.02(m/cycles)，而值得注意的是其全年相對(duì)振幅A1以及半年相對(duì)振幅A2在數(shù)值上十分接近.另外上述波長(zhǎng)范圍在8～1 km之間的幾個(gè)特定波長(zhǎng)的垂直波數(shù)譜的季節(jié)變化特性與大氣密度擾動(dòng)的季節(jié)變化特性一致.這一結(jié)論同前文所述的大氣密度擾動(dòng)的季節(jié)分布規(guī)律都符合得很好.即重力波活動(dòng)的極大值出現(xiàn)在夏季夏至點(diǎn)附近，最小值約在春秋分時(shí)出現(xiàn)，冬季重力波的活動(dòng)仍然活躍.

圖2 (a)—(d) 海南地區(qū)垂直波數(shù)譜的單天實(shí)例； (e) 垂直波數(shù)譜的年度平均譜； (f) 垂直波數(shù)譜斜率的統(tǒng)計(jì)分布Fig.2 (a)—(d) Four examples of the vertical wave number spectra of the atmospheric density perturbations associated with internal gravity waves at Hainan (e) Annual mean of vertical wave number spectra and (f) the distribution of their spectrum slopes

圖3 不同波長(zhǎng)的重力波垂直波數(shù)季節(jié)變化規(guī)律圖Fig.3 Seasonal variations of vertical wavenumber spectral amplitudes

我們同時(shí)用時(shí)間頻率譜對(duì)重力波擾動(dòng)的季節(jié)分布特性進(jìn)行了表征.根據(jù)重力波線性理論，大氣密度擾動(dòng)的時(shí)間頻率譜定義為

(7)

通過對(duì)大氣密度擾動(dòng)進(jìn)行預(yù)白噪聲化及加窗處理后，經(jīng)過傅里葉變換得到了所有單天事件的頻率譜Fa(ω)，如圖4(a—d)所示.通過計(jì)算譜斜率q及其年均統(tǒng)計(jì)分布，發(fā)現(xiàn)q的分布范圍在-1.22和-2.36之間，平均值為-1.80(如圖4(e—f)所示).其他如Beatty等觀測(cè)到的Arecibo地區(qū)值為-1.85(Beatty et al., 1992)，Gardner等在計(jì)算北美地區(qū)的數(shù)據(jù)得出當(dāng)?shù)氐膓值為-1.82(Senft and Gardner, 1991)，以上結(jié)果與我們的結(jié)果相類似，均接近理論預(yù)測(cè)值-5/3.

我們選取幾個(gè)典型波動(dòng)周期60、40、25 min的重力波對(duì)其活動(dòng)行為進(jìn)行研究，給出了其年度分布規(guī)律(如圖5所示).根據(jù)圖5和表1給出的參數(shù)信息，我們可以看到ω60,ω40和ω25的年度平均值是0.97(s/cycles), 0.70(s/cycles)和0.12(s/cycles)，其最大波動(dòng)值的對(duì)應(yīng)相位也出現(xiàn)在夏至點(diǎn)附近，這說明上述頻率范圍在2π/60min～2π/25min之間的幾個(gè)特定頻率重力波的時(shí)間頻率譜季節(jié)變化特性與大氣密度擾動(dòng)的季節(jié)變化特性相一致.整體呈現(xiàn)夏季較大、春秋季節(jié)較小的特征，而冬季重力波的活動(dòng)仍然活躍.

根據(jù)以上的研究結(jié)果，我們可以知道：海南地區(qū)的重力波季節(jié)變化特性如大氣密度擾動(dòng)、8～1 km及60～25 min范圍內(nèi)的垂直功率譜及時(shí)間譜，均整體呈現(xiàn)夏季擾動(dòng)較大，春秋季節(jié)擾動(dòng)較小的特征，以及冬季重力波的活動(dòng)仍然活躍的季節(jié)變化規(guī)律.這一現(xiàn)象的主要原因我們嘗試從兩方面入手進(jìn)行分析：

首先，對(duì)比我國(guó)中緯度地區(qū)(北京地區(qū))，根據(jù)以往報(bào)道，其上空重力波活動(dòng)季節(jié)性變化的主要原因是青藏高原的地形及對(duì)流因素與背景風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)性變化共同作用的結(jié)果(Gong et al., 2013).而這一結(jié)果也與同緯度的Gardner等報(bào)道的重力波事件的季節(jié)分布規(guī)律相吻合(Senft and Gardner, 1991).即雷達(dá)觀測(cè)的重力波擾動(dòng)強(qiáng)度從冬季到夏季重力波活動(dòng)性逐漸增強(qiáng)，從夏季到冬季重力波活動(dòng)性逐漸減弱，具有明顯的夏季極大、春秋季節(jié)小的季節(jié)變化性.而海南地區(qū)的重力波活動(dòng)也是整體呈現(xiàn)夏季較大、春秋季節(jié)較小的特征，這一基本的分布趨勢(shì)也與我國(guó)中緯度地區(qū)的夏季及春秋季的變化規(guī)律相同.結(jié)合以往文獻(xiàn)對(duì)我國(guó)北京地區(qū)重力波波源的解釋，我們認(rèn)為海南地區(qū)的重力波活動(dòng)情況也極有可能是來自于青藏高原的地形及對(duì)流作用.

圖4 (a)—(d) 海南地區(qū)時(shí)間頻率譜的單天實(shí)例； (e)時(shí)間頻率譜的年度平均譜, (f) 時(shí)間頻率譜斜率的統(tǒng)計(jì)分布Fig.4 (a)—(d) Four examples of the temporal frequency power spectra of the atmospheric density perturbations associated with internal gravity waves at Hainan； (e) Annual mean of temporal frequency spectra and (f) the distribution of their spectrum slopes

圖5 不同頻率的重力波時(shí)間頻率譜季節(jié)變化分布圖Fig.5 Seasonal variations of temporal frequency spectral amplitudes

其次，針對(duì)海南地區(qū)不同于中高緯度地區(qū)的冬季重力波頻度及強(qiáng)度較弱的特點(diǎn)，我們認(rèn)為，對(duì)于處于低緯度的海南地區(qū)，由于其海洋上存在頻繁的強(qiáng)對(duì)流，往往會(huì)導(dǎo)致其成為該地區(qū)新的重力波波源.Wright和Gille運(yùn)用High Resolultion Dynamics Limb Sounder(HIRDLS)研究中國(guó)南海上空重力波通量的季節(jié)特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，在季風(fēng)周期里，中國(guó)南海上空重力波通量的增量全球最小，他們把該區(qū)域重力波通量與季風(fēng)變化的反季節(jié)性變化歸因于這一區(qū)域里存在的由海上對(duì)流而產(chǎn)生的強(qiáng)烈而又頻繁的臺(tái)風(fēng)因素(Wright and Gille, 2011).Alexander 等對(duì)中國(guó)南海上空重力波通量的觀測(cè)研究給出了相似的結(jié)論，認(rèn)為該區(qū)域是全球強(qiáng)烈上升氣旋的重要形成地之一(Alexander et al., 2008).所以海南激光雷達(dá)所觀測(cè)到的常見重力波，除了可能主要來自青藏高原之外，還有一部分來自于中國(guó)南海.同時(shí)，Wright和Gille(2011)的研究結(jié)論也表明中國(guó)南海地區(qū)冬季存在另外較強(qiáng)的重力波波源，導(dǎo)致這一地區(qū)的重力波動(dòng)量通量最小，這一結(jié)論與我們的觀測(cè)結(jié)論相吻合.但根據(jù)海南島的氣候特征，每年的11月—1月屬氣象學(xué)意義上的旱季，根據(jù)氣象記錄很少有強(qiáng)對(duì)流的臺(tái)風(fēng)天氣出現(xiàn)，因此，冬季海南地區(qū)的重力波波源除海面強(qiáng)對(duì)流因素以外應(yīng)還有其他波源存在.

結(jié)合地形因素進(jìn)行分析可知，海南島地處我國(guó)南海地區(qū)，而這一地區(qū)受到西太平洋赤道潛流的影響，其洋流流向及溫度會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)(Izumo, 2005)，產(chǎn)生的平行剪切應(yīng)力可在洋流環(huán)境下形成如Bickley 噴流等現(xiàn)象，可能影響深層洋流的行為，導(dǎo)致該地域海面上的浮力頻率發(fā)生變化，從而使該地區(qū)攜帶能量的重力波出現(xiàn)吸收及破碎過程.而在這一過程中有可能同時(shí)發(fā)生波波相互作用而成為新的重力波波源(Smyth and Moum, 2002).因此，冬季海南地區(qū)存在的其他波源極有可能是來自于西太平洋的赤道潛流所造成的.

基于以上分析，我們認(rèn)為海南地區(qū)上空重力波活動(dòng)季節(jié)性變化的主要原因可能是青藏高原的地形與南海地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流因素與赤道潛流共同作用的結(jié)果.在夏季的過程中，雷達(dá)觀測(cè)的重力波擾動(dòng)強(qiáng)度為全年最大，主要由青藏高原的地形因素和海上強(qiáng)對(duì)流共同作用，春秋兩季的重力波可能受到來自青藏高原的地形及對(duì)流作用影響，其擾動(dòng)規(guī)律與中緯度大陸地區(qū)相類似，為全年擾動(dòng)最弱時(shí)期.冬季由于我國(guó)南海地區(qū)受到赤道潛流的影響，以及部分熱帶強(qiáng)對(duì)流因素，導(dǎo)致其不同于我國(guó)絕大部分中緯度及中低緯度地區(qū)冬季重力波活動(dòng)較弱的特性，其活動(dòng)強(qiáng)度仍然較強(qiáng)，具有獨(dú)特的季節(jié)分布特性.另一方面，由于我們獲得的重力波數(shù)據(jù)主要依靠激光雷達(dá)觀測(cè)手段，由其自身特點(diǎn)所限制，所包含的信息并不全面，因此探索重力波季節(jié)性變化的根本原因需要更多的觀測(cè)手段來配合進(jìn)行，而這也有待于我們進(jìn)一步地深入研究.

3 結(jié)論

利用激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)海南地區(qū)上空鈉層進(jìn)行觀測(cè)，積累連續(xù)3年的夜間觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)重力波活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究.根據(jù)重力波的線性理論，得到了海南地區(qū)上空的大氣密度擾動(dòng)、空間功率譜及時(shí)間頻率譜.通過選取波長(zhǎng)為8、4、2、1 km的特定波長(zhǎng)的重力波以及具有波動(dòng)周期為60、45、25 min的特定頻率的重力波活動(dòng)輔助研究大氣密度擾動(dòng)的季節(jié)變化規(guī)律，得到了海南地區(qū)大氣密度擾動(dòng)具有夏季最大、春秋季擾動(dòng)較小、冬季重力波活動(dòng)仍然活躍的結(jié)論.根據(jù)計(jì)算得出平均大氣密度擾動(dòng)的均方根值為5.63%. 擬合得到重力波垂直功率譜p的變化范圍為-2.14 ～-3.56，年平均值為-2.93.頻率譜的譜斜率q的分布范圍在-1.22和-2.36之間，平均值為-1.80.該結(jié)論表明海南地區(qū)重力波活動(dòng)規(guī)律與擴(kuò)散濾波理論相符.經(jīng)過對(duì)重力波波源情況以及海南地區(qū)特殊的地理環(huán)境進(jìn)行分析，我們認(rèn)為青藏高原的地形以及南海的熱帶強(qiáng)對(duì)流與赤道潛流因素是導(dǎo)致海南上空重力波活動(dòng)季節(jié)性變化的可能原因.致謝 本文得到了國(guó)家子午工程數(shù)據(jù)的大力支持，在此表示衷心的感謝.

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(本文編輯 胡素芳)

Gravity wave parameters and their seasonal variations derived from Na lidar observations at Hainan, China

ZOU Xu1, 2, YANG Guo-Tao1*, WANG Ji-Hong1, GONG Shao-Hua2, CHENG Xue-Wu3,YUE Chuan1, ZHANG Tie-Min2， FU Jun2

1NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100011，China2CollegeofPhysics&ElectronicEngineering,HainanNormalUniversity,HaikouHainan571158，China3WuhanInstituteofPhysicsandMathematics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071，China

Sodium lidar is recognized as a useful tool to investigate gravity wave (GW) which influences the circulation, structure and composition of middle and upper atmosphere notably. For further understanding GW and their characteristics, more sufficient observational data within global models, especially those at low latitude are extremely expected. Meanwhile, long-term observations are also quite helpful for the GW analysis.As one part of Meridian Project, the observational Na lidar system at Hainan (19.50°N, 109.1°E) employed the double wavelengths laser beam, which is consists of three channels for Mie scattering, Rayleigh scattering and broadband sodium fluorescence. A pulsed Nd:YAG laser was rebuilt to trigger off two green laser beams simultaneously, one of which was 532 nm and used to excite the Mie and Rayleigh scattering, and the other laser beam pumped by a pulsed dye laser was about 589 nm and with 30 mJ per pulse. Resonant fluorescence from the sodium layer was received by a Cassegrain telescope with a primary mirror of 1000 mm diameter. The lidar profiles are stored automatically in a computer. The temporal and spatial resolution was about 167s and 96 m, respectively.Seasonal variations of the GW activity and their spectra at Hainan were studied with comparison to the previous reports and the predictions of theories of GW saturation and dissipation. The seasonal variations of GW activity and characteristics spectra at Hainan are mainly presented as follows: (1) The mean RMS atmospheric density perturbation over Hainan are 5.63 %, which at solstice are obviously larger than that near the equinox. And the GW activity in winter is still active, which are quite different from those reports at the middle latitude area. (2) Due to the linear theory, themspectra were calculated which show power law shapes and their range of variation were between -2.14 and -3.56 with an annual mean value of -2.93. The calculatedωspectra were between -1.22 and -2.36 with an annual mean value of -1.80, respectively. (3) The amplitudes of atmospheric density perturbation spectra atm=2π/8km, 2π/4km, 2π/2km, 2π/1km andω=2π/60min, 2π/40min, 2π/25min all exhibit large nightly variability as well as large seasonal variations, with the maxima occurring near the solstice. While in winter, their amplitudes indicated that the GW activity is still active, which are consistent with the RMS atmospheric density perturbation annual variations. (4) The seasonal variation regularity of the GW activity at Hainan and the possible GW source there were discussed. It is concluded that the reaction of the Qinghai-Tibet plateau with the convection and the equatorial undercurrent may be the main reason of the GW behaviors at Hainan.The seasonal variation of GW activity at Hainan were measured based on 3 year′s observation. The RMS atmosphere perturbation, the vertical wave number spectral amplitudes at 2π/8km 2π/4km 2π/2km and 2π/1km andωspectra with those frequencies at 2π/60min, 2π/40min, 2π/25min all show that the semiannual maxima occur near the solstices, while the GW activity in winter is still active, which is quite different from the middle latitude area. The vertical wave number spectra and frequency spectra were also calculated which were fitted well with the theoretical value. It is concluded that the fact of the Qinghai-Tibet plateau′s topography, intense convection of South China Sea and the equatorial undercurrent could be the main reason of the GW′s behaviors at Hainan.

Hainan；Lidar； Gravity wave； Seasonal variations； Topography of Qinghai-Tibet plateau convection； Equatorial undercurrent

10.6038/cjg20150706.

國(guó)家自然科學(xué)基金(NSFC40905012, 41174129, 41474130，41264006，41364005)，海南省自然科學(xué)基金(513146)，中國(guó)博士后項(xiàng)目基金(2012M520397)，以及中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心重點(diǎn)培育項(xiàng)目資助.

鄒旭，男，1981年生，副教授，2004年畢業(yè)于吉林大學(xué)，主要從事中高層大氣研究. E-mail：christian5022@163.com

*通信作者 楊國(guó)韜，男，研究員，主要從事激光雷達(dá)和中高層大氣研究. E-mail：gtyang@spaceweather.ac.cn

10.6038/cjg20150706

P351

2015-01-22，2015-06-05收修定稿

鄒旭，楊國(guó)韜，王繼紅等. 2015. 基于激光雷達(dá)手段的海南地區(qū)重力波與其波譜的季節(jié)分布特性研究.地球物理學(xué)報(bào)，58(7):2274-2282,

Zou X, Yang G T, Wang J H, et al. 2015. Gravity wave parameters and their seasonal variations derived from Na lidar observations at Hainan, China.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2274-2282,doi:10.6038/cjg20150706.